激光热处理用吸光涂层材料的设计与优化

论文摘要

在室温下金属材料对激光的反射率很大,尤其对长波长的CO2激光,其反射率可达90%以上,因此在激光热处理过程中,通常要对金属表面进行预处理来增加对激光的吸收率。金属预处理的方法主要有磷化法和黑色吸光涂料法两种方法,但前者易造成磷化液失效,后者在高温下易烧蚀,造成吸收率降低等问题。而金属氧化物对CO2激光有峰值吸收的特性,吸收率高,并且一般其沸点均在2200℃以上,在激光热处理时不会被烧蚀,从而大大增加了其对CO2激光的吸收率,且不会造成环境污染。因此,基于以上问题,本文以金属氧化物为骨料研制了一种吸收率高、工艺性能好的吸光涂料。本文通过金相法等方法考察了6种金属氧化物(TiO2.ZrO2.ZnO、Al2O3、MgO及Cr2O3)对CO2激光的吸收性能,并对吸收CO2激光的能力与其能级结构的关系进行了探讨。研究表明,各种金属氧化物在不同的激光功率密度下,其吸收率是不同的。TiO2涂层在功率密度低于3539W/cm2时,其吸收率高于其他金属氧化物,低于石墨涂料,在功率密度高于3539W/cm2时,其吸收率高于其他金属氧化物和石墨涂料。在功率密度4953W/cm2下,金属氧化物对CO2激光的吸收率从高到低额顺序是TiO2、ZrO2、Al2O3、MgO、ZnO、石墨涂层及Cr2O3。分析表明,禁带中的杂质能级使TiO2可通过其导带中的自由载流子吸收CO2激光光子,且随激光功率密度的增加,其吸收率增加较快,处于文中各种吸收涂层的首位。因此高功率加工时,TiO2是较好的吸光涂料骨料。在以上研究的基础上,比较研究了不同粒度的TiO2对CO2激光的吸收性能并确定了本文实验条件下的最优粒度。研究表明平均粒度为45μm、13μm、6.5μm和1.6μm的TiO2中,16μmTiO2的吸收率最高,且随着TiO2粒度的减小,其吸收率增加。分析表明,随着TiO2粒度的减小,其比表面积增加,从而增加了激光的吸收率,也增加了涂层的致密度以及涂层与基体的结合力,因此1.6μm为本文所考察四种粒度中的最优TiO2粒度。从以上研究结果可以看出,平均粒度1.6μmTiO2的吸收率最高,故以其为骨料研制吸光涂料。利用正交实验法探讨了粘结剂、溶剂和骨料的配比以及厚度对涂料激光吸收率的影响,经过试验验证的优化结果显示：当涂覆吸光涂料的厚度控制在0.1mm左右,骨料含量30%、粘结剂含量15%时,其所对应试样的激光热作用区面积最大,吸收率最高,可作为具有高吸收率和良好工艺性能的吸光涂料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 激光加工技术和激光表面处理的发展
• 1.1.1 激光加工技术的发展
• 1.1.2 激光表面处理技术及其国内外发展现状
• 1.2 激光热处理中的表面预处理
• 1.3 本课题的提出意义、研究内容、技术难点和技术路线
• 1.3.1 课题提出的目的及意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术难点
• 1.3.4 技术路线
• 第2章 吸光涂料设计的理论基础及工艺参数选择
• 2.1 激光与物质的相互作用
• 2.1.1 激光辐照效应
• 2.1.2 材料对激光的吸收
• 2.2 激光热处理工艺参数及优化工艺的选择
• 2.3 本章小结
• 2激光吸收性能的比较'>第3章 不同金属氧化物对CO₂激光吸收性能的比较
• 3.1 实验材料、方法与过程
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验方法与过程
• 3.2 实验结果与分析
• 3.2.1 宏观形貌分析
• 3.2.2 显微硬度分析
• 3.2.3 激光热作用区横截面积分析
• 2激光的微观机理'>3.3 金属氧化物吸收CO₂激光的微观机理
• 3.4 本章小结
• 2激光性能的影响'>第4章 粒度对金属氧化物吸收CO₂激光性能的影响
• 4.1 实验材料、方法与过程
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 宏观形貌分析
• 4.2.2 激光热作用区横截面积分析
• 2吸收CO₂激光性能的影响机理'>4.3 粒度对TiO₂吸收CO₂激光性能的影响机理
• 4.4 本章小结
• 2激光吸收涂料的设计与研制'>第5章 CO₂激光吸收涂料的设计与研制
• 2激光吸收涂料的设计原则'>5.1 CO₂激光吸收涂料的设计原则
• 5.2 吸光涂料成分的选择
• 5.3 激光热处理实验
• 5.3.1 正交试验设计
• 5.3.2 正交试验结果与分析
• 5.3.3 正交试验结果的验证试验
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果